CN108963986B - 一种供能保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种供能保护电路，包括用于连接供能电路的电路输入端口、用于连接负载的电路输出端口、串设在电路输入端口和电路输出端口之间的功率开关、以及功率开关控制电路，功率开关控制电路控制连接功率开关；还包括电压采样电路、电压积分运算放大电路以及控制器；电压采样电路采样连接电路输出端口用于获取电路输出端口电压，电压采样电路的信号输出端连接电压积分运算放大电路的输入端，电压积分运算放大电路的输出端连接功率开关控制电路，控制器连接电压积分运算放大电路的输入端和输出端。本发明通过控制串联在供能电路和负载之间的功率开关的导通程度，从而达到稳定和限制供能电路的输出电压的目的，有效保护了负载。

Description

一种供能保护电路

技术领域

本发明涉及一种供能保护电路，属于直流输电技术领域。

背景技术

高压直流断路器的核心器件是电力电子器件，在实际应用中，电力电子器件组成电力电子模块，电力电子模块通过串联实现高电位。其中每个电力电子模块都需要有其对应的驱动电路，驱动电路与电力电子模块通过电气直接连接，处于同一电位。驱动电路若想取得能量，只能在高位自取能，或者通过隔离从低电位供能。

对于高压直流断路器，因其在闭合时单个电力电子模块的电容不储备能量，无法实现高位自取能，一般采用从低电位隔离系统供能。目前的高电位供能系统一般包括交流调压器、变压器、分布式磁环、整流稳压模块，在高压直流断路器中，其单个的电力电子模块用电功率不恒定，而每个分布式磁环得到的电流是恒定的，这就需要整流稳压模块输出的能量可以分流，做到自适应负载波动情况，极限情况是后级完全无负载或者负载损坏，这就需要有保护电路。而现有供能系统一般不具备保护功能，一旦电力电子模块出现损坏情况，低电位隔离供能系统也将受到不可估量的损坏。

另外，在高压大功率电力电子模块的应用中，由于大功率电力电子模块工作电压很高(例如800KV直流开关系统)，动作电流很大(例如30KA)，在类似现场的条件下，为电力电子模块提供控制电压的高位供能电路会受到强电场和强磁场干扰而导致供能失效，通常失效机制为：

1、供能模块由于调整率不足产生尖峰电流电压损坏后级控制电路；

2、供能模块输出调整率过低导致在电力电子模块负载在快速变化时出现电压跌落现象；

3、由于电力电子模块负载控制电路失控时短路导致供能模块损坏；

4、由于通用供能电路不具有针对性的现场参数设置能力而导致在负载突变时输出特性一致性差；

5、现有供能模块当内部控制稳压电路失效时，由于其电流源特性导致在负载较低或者空载时存在输出电压异常增加对负载引起电压击穿风险。

由于现有供能模块在技术和结构上存在上述几点缺陷和问题，需要发明一种新的技术方案，以起到自动保护供能模块和最终负载的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种供能保护电路，用于解决供能电路和最终负载之间保护的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种供能保护电路，包括以下方案：

方案一：包括用于连接供能电路的电路输入端口、用于连接负载的电路输出端口、串设在所述电路输入端口和电路输出端口之间的功率开关、以及功率开关控制电路，所述功率开关控制电路控制连接所述功率开关；还包括电压采样电路、电压积分运算放大电路以及控制器；所述电压采样电路采样连接所述电路输出端口用于获取电路输出端口电压，电压采样电路的信号输出端连接所述电压积分运算放大电路的输入端，所述电压积分运算放大电路的输出端连接所述功率开关控制电路，所述控制器连接所述电压积分运算放大电路的输入端和输出端。

方案二：在方案一的基础上，还包括电流采样电路和电流积分运算放大电路，所述电流采样电路采样连接所述电路输出端口用于获取电路输出端口电流，电流采样电路的信号输出端连接所述电流积分运算放大电路的输入端，所述电流积分运算放大电路的输出端连接所述功率开关控制电路，所述控制器连接所述电流积分运算放大电路的输入端和输出端。

方案三：在方案二的基础上，还包括电压阈值检测比较器电路，所述电压阈值检测比较器电路的输入端连接所述电压采样电路的信号输出端，电压阈值检测比较器电路的输出端连接所述控制器，所述控制器连接所述功率开关控制电路。

方案四：在方案三的基础上，还包括电流阈值检测比较器电路，所述电流阈值检测比较器电路的输入端连接所述电流采样电路的信号输出端，电流阈值检测比较器电路的输出端连接所述控制器。

方案五：在方案一、二、三或四的基础上，所述电路输入端口之间并联有电容。

方案六：在方案一、二、三或四的基础上，所述电压采样电路为电阻分压采样电路。

方案七：在方案一、二、三或四的基础上，所述电压积分运算放大电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的反相输入端连接所述电压采样电路的信号输出端、其同相输入端连接所述控制器的第一电压阈值输出端、其输出端连接所述功率开关控制电路的第一输入端和所述控制器的第一输入端，所述第一运算放大器的反相输入端和输出端之间连接有电容。

方案八：在方案二、三或四的基础上，所述电流积分运算放大电路包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的反相输入端连接所述电流采样电路的信号输出端、其同相输入端连接所述控制器的第二电压阈值输出端、其输出端连接所述功率开关控制电路的第二输入端和所述控制器的第二输入端，所述第二运算放大器的反相输入端和输出端之间连接有电容。

方案九：在方案三或四的基础上，所述电压阈值检测比较器电路包括第一比较器，所述第一比较器的反相输入端连接所述控制器的第三电压阈值输出端、其同相输入端连接所述电压采样电路的信号输出端、其输出端连接所述控制器的第三输入端。

方案十：在方案四的基础上，所述电流阈值检测比较器电路包括第二比较器，所述第二比较器的反相输入端连接所述控制器的第四电压阈值输出端、其同相输入端连接所述电流采样电路的信号输出端、其输出端连接所述控制器的第四输入端。

方案十一：在方案一、二、三或四的基础上，所述控制器还连接有光纤发射器。

方案十二：在方案一、二、三或四的基础上，所述控制器为FPGA/CPLD逻辑芯片。

方案十三：在方案一、二、三或四的基础上，所述功率开关为MOS场效应管。

本发明的有益效果是：

将采集到的负载侧电压信号通过电压积分运算放大电路进行比例积分环节处理后，控制串联在供能电路和负载之间的功率开关的导通程度，由于功率开关的导通程度可以等效供能电路输出回路的串联电阻，该串联电阻与负载等效电阻形成串联分压等效电路，从而达到稳定和限制供能电路的输出电压的目的，有效保护了负载。

进一步的，将采集到的负载侧电流信号通过电流积分运算放大电路进行比例积分环节处理后，控制串联在供能电路和负载之间的功率开关的导通程度，由于功率开关的导通程度可以等效供能电路输出回路的串联电阻，以达到限制供能电路的输出电流的目的，进一步防止了供能电路因某种原因引起的负载短路而导致损坏的现象。

进一步的，将采集到的负载侧电压信号与电压阈值检测比较器电路中的电压阈值进行比较，当检测出供能电路输出电压高于设定的电压时，控制器启动预先编程的控制程序，控制功率开关控制电路实现对功率开关的开关或调解，达到调节供能电路输出电压的目的。

进一步的，将采集到的负载侧电流信号与电流阈值检测比较器电路中的电流阈值进行比较，当检测出供能电路输出电流高于设定的电流时，控制器启动预先编程的控制程序，控制功率开关控制电路实现对功率开关的开关或调解，达到调节供能电路输出电流的目的。

进一步的，在电路输入端口之间并联电容，可以滤除供能电路在负载切换时出现的尖峰电压，起到保护供能电路和负载的作用。

进一步的，当负载出现短路情况时，控制器根据接收到的电压和电流采样值，可以判断出短路故障，此时控制关闭功率开关，实现快速关断，以切断短路电流，并通过光纤发送器输出故障信息。

进一步的，当负载出现开路情况时，控制器根据接收到的电压和电流采样值，可以判断出开路故障，并通过光纤发送器输出故障信息。

附图说明

图1是本发明的供能保护电路在电力电子器件供能系统中的位置示意图；

图2是本发明的供能保护电路的结构框图；

图3是本发明的供能保护电路的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供了一种供能保护电路，该供能保护装置可以作为子电路模块添加或嵌入到现有的供能电路(供能模块)的设计中，也可以外置连接在供能电路与负载之间作为一个中间件，即一个自适应串联的阻抗，起到自动保护供能电路和最终负载的目的。例如，当供能电路为电力电子器件控制电路的取能电路(供能电源)1，负载为电力电子器件控制电路3时，图1具体给出了该供能保护电路2在电力电子器件整个供能系统中的位置，即供能电源1通过供能保护电路2供电连接电力电子器件控制电路3，电力电子器件控制电路3控制连接电力电子器件及其电流回路4。该供能保护电路可以有效保护供能电源1和负载电力电子器件控制电路3不受损坏，提高直流断路器的可靠性，减少维修成本。

其中，该供能保护电路的结构示意图如图2所示，包括用于连接供能电路1的电路输入端口、用于连接负载3的电路输出端口、串设在电路输入端口和电路输出端口之间的功率开关、功率开关控制电路、电压采样电路、电流采样电路、电压积分运算放大电路、电流积分运算放大电路、电压阈值检测比较器电路、电流阈值检测比较器电路以及控制器。各个电路器件依次按照一定设计原则连接，以实现保护电路所具有的供能电路输出特性快速检测和稳压、稳流和功率检测功能，以达到对供能电路输出电能的管理能力，最终实现供能系统保护。

其中，为达到保护负载3不受供能电路1失控导致负载3损坏的目的，将电压采样(电压取样)电路与负载3的输入并联，对供能电路的输出电压进行取样。具体的，电压采样电路的信号输出端连接电压积分运算放大电路的输入端，电压积分运算放大电路的输出端连接功率开关控制电路的输入端。控制器连接电压积分运算放大电路的输入端和输出端。为达到保护负载不受供能电路失控导致负载损坏或供能电路损坏的目的，将电流采样电路与供能电路1的输出串联，对供能电路的输出电流进行取样。具体的，电流采样电路的信号输出端连接电流积分运算放大电路的输入端，电流积分运算放大电路的输出端连接功率开关控制电路的输入端。控制器连接电流积分运算放大电路的输入端和输出端。功率开关控制电路的输出端控制连接功率开关，用于控制功率开关的导通程度，以达到限制供能电路的输出电压和电流大小。

电压阈值检测比较器电路的输入端连接电压采样电路的信号输出端、其输出端连接控制器，电流阈值检测比较器电路的输入端连接电流采样电路的信号输出端、其输出端连接控制器。控制器的输出端控制连接功率开关控制电路，以实现对功率开关的开关或调节，达到调节输出电压，保护供能电路和负载的目的。

在本实施例中，如图3所示，上述的电压采样电路为电阻分压采样电路，该电阻分压采样电路由高阻值电阻器(10K欧姆以上)R1和电阻R2串联构成，R1和R2的串联点为该分压采样电路的电压取样输出点(信号输出端)，连接电压积分运算放大电路的输入端。该分压采样电路用于获取负载侧的供电电压，以调节供能电路的输出电压，R1、R2的分压比决定了供能电路(供能电源)输出电压调节范围。作为其他的实施方式，也可以采用其他形式的电压取样电路。

电压积分运算放大电路(电压通道运算放大器)包括第一运算放大器(电压调整运算放大器)U1，第一运算放大器U1的反相输入端与电压采样电路的信号输出端进行连接，其同相输入端与一个作为参考电压的数模转换器连接。在本实施例中，该数模转换器由控制器来实现，该控制器具体为带有模/数转换器的FPGA/CPLD逻辑芯片。具体的，控制器的第一电压阈值输出端即FPGA/CPLD逻辑芯片的DAC(数模转换器)输出端连接第一运算放大器U1的同相输入端，第一运算放大器U1的输出端连接功率开关控制电路的第一输入端和控制器的第一输入端，第一运算放大器的反相输入端和输出端之间连接有电容C1，R1、R2和C1共同组成PI调节电路，用于对第一运算放大器U1的输出电压进行调节和修正。由于U1的同相输入端和反相输入端理论上始终保持等电位，因此U1的输出将控制功率开关的导通程度实现这一等电位条件，从而间接达到调节和稳定供能电路输出电压的目的。

如图3所示，该电流采样电路为由取样电阻R4构成的电阻电流取样电路，该取样电阻R4是一个低阻值电阻(1欧姆以下)，电阻R3与R4的电流回流输入点连接，取得一个V＝I*R的电压值。为了降低取样电阻功耗，这个电压是一个较低的电压，通常为mV级，通过运算放大器进行放大调理后，作为反馈信号调节量实现电流限制。

电流积分运算放大电路(电流通道运算放大器)包括第二运算放大器U3，第二运算放大器U3的反相输入端通过电阻R3连接电流采样电路的信号输出端。第二运算放大器U3的同相输入端与一个作为参考电压的数模转换器连接。在本实施例中，该数模转换器由控制器来实现，控制器的第二电压阈值输出端即FPGA/CPLD逻辑芯片的DAC(数模转换器)输出端连接第二运算放大器U3的同相输入端，第二运算放大器U3的输出端连接功率开关控制电路的第二输入端和控制器的第二输入端，第二运算放大器U3的反相输入端和输出端之间连接有电容C3，用于对采样电流进行调理放大。

如图3所示，电压阈值检测比较器电路包括第一比较器U2，电流阈值检测比较器电路包括第二比较器U4，U2和U4均为比较器芯片。第一比较器U2和第二比较器U4的反相输入端分别连接控制器的第三电压阈值输出端和第四电压阈值输出端，该第三电压阈值输出端和第四电压阈值输出端为FPGA/CPLD逻辑芯片的DAC(数模转换器)输出端。第一比较器U2和第二比较器U4的同相输入端分别连接电压采样电路的信号输出端和电流采样电路的信号输出端，第一比较器U2和第二比较器U4的输出端分别连接控制器FPGA/CPLD的第三输入端和第四输入端即I/O引脚。通过将电压采样值和电流采样值与比较器进行连接，可以检测出供能模块的输出电压是否高于设定的电压范围以及输出电流是否高于设定的电流范围。

FPGA/CPLD通过可编程软件设置数模转换器的输出电压，为比较器提供比较参考电压值。当比较器正向输入端电压大于反向输入端电压时，比较器输出高电平。显然，在图3所示的电路中，只要电压或电流采样值高于设定值时，比较芯片将输出高电平。此时，FPGA/CPLD的I/O引脚测量到该电平的存在后，立即启动预先编程的控制程序，控制功率开关控制电路实现对功率开关的开关或调节，达到调节供能电路输出电压和电流的目的。

在本实施例中，功率开关为大功率高频P沟道MOS场效应管Q1，以便适应更大的电压输入范围，相应的，功率开关控制电路为MOS驱动电路。该MOS驱动电路可以根据接收到的数据信息，实现对场效应管Q1的等效电阻的调节控制。其中，MOS驱动电路芯片采用TC4422。并且，为了适应不同供能电路的输出功率，此处的MOS场效应管根据不同的功率等级会按需加装不同散热功能的散热器。

另外，为了滤除供能电路1在负载3切换时出现的尖峰电压，即为了防止供能电路由于调整率不足产生尖峰电流电压，进而损坏后级控制电路的目的，在电路输入端口之间即供能电路与本发明供能保护电路之间的连接处，还连接有一个大于1000微法的大容量电解电容C2。该电容用来吸收供能电路在电力电子器件开关动作时产生的电压尖峰，同时由于电解电容的储能特性，在此动态响应期间，电容电压不能突变，从而补偿由于系统负载电压调整导致的电压跌落，起到保护供能电路1和负载3的作用。

控制器FPGA/CPLD还连接有光纤发射器Q2，用于给用户发送负载侧故障信息，增强了供能电路系统的监控能力，在高电压远程应用时，更加容易定位故障点。例如，当负载出现短路极端情况时，由电压采样和电流采样的原理可知，在负载短路状态下，R1和R2分压电压为0，或值很低。而R4将处于限流电流值，此时，通过FPGA/CPLD内置的ADC转换器可测量到这个电压和电流特征，从而判断出短路故障。此时控制关闭功率开关，实现快速关断，以切断短路电流，并通过光纤发送器输出故障信息。当负载出现开路情况时，由电压采样和电流采样的原理可知，在负载开路状态下流过R4的电流为0，而R1和R2的分压值处于限压电压，此时通过FPGA/CPLD内置的ADC转换器可测量到这个电压和电流特征，从而判断出开路故障，并通过光纤发送器输出故障信息。

需要说明的是，为适应不同供能电路系统的输出电压范围，本发明的电解电容C2和MOS场效应管均采用至少高于供能电路额定输出电压的3倍电压值，可有效防止前级供能失控引起的过电压烧毁现象。例如，电解电容C2的耐压取值范围为3-4倍供能电路额定输出电压值，这个取值范围是大部分供能电路失控时输出的电压范围。

在本实施例中，电解电容的参数为1000uF/100V，电压采样电阻的大小为大于或等于10K欧姆，电流采样电阻的大小为小于或等于1欧姆，运算放大器采用LM358或兼容参数的单电源供电的运算放大器，比较器采用LM339或兼容的单电源供电比较器，FPGA/CPLD逻辑芯片采用

10FPGA/CPLD，模/数转换器采用

10FPGA/CPLD内置高速模/数转换外设，光纤发射器的型号为HFBR-1414。

上述供能保护电路的本质为一个自动转换的稳压稳流电源，针对大功率电路电子器件在开关、变频场合应用做了相应的优化，采用硬件与逻辑芯片快速中断软件结合的方法，将运算放大器输出直接与MOS场效应管及其驱动电路连接，实现电流/电压的硬件限流和限压，将比较器输出直接与FPGA/CPLD逻辑芯片连接，通过逻辑芯片自适应判断后，采用高频PWM模式控制MOS场效应管的开关，实现急停、限流和线压等功能。这种数字和模拟混合控制双闭环方式保证了系统具有备份功能，能更加迅速无误地检测故障并做出相应的保护措施，进而实现保护系统的可靠性。具体在工作过程中，该供能保护电路的控制过程如下：

电压采样电路将采集到的电压信号通过电压积分运算放大电路中的运算放大器通过比例积分环节调理后，控制串联在供能电路和负载之间的P沟道MOS场效应管的导通程度。由于场效应管的导通程度可以等效输出回路串联电阻，与负载等效电阻形成串联分压等效电路，从而达到限制供能电路输出电压以及稳定和限制向负载输出电压的目的。

电流采样电路将电流采样信号转换为电压信号，该电压信号经过电流积分运算放大电路中的运算放大器进行比例积分环节调理后，控制串联在供能电路和负载之间的P沟道MOS场效应管的导通程度。由于场效应管的导通程度可以等效输出回路串联电阻，以达到限制供能电路输出电流的目的，防止供能电路因某种原因引起的负载短路而导致损坏的现象，具有防止短路的保护功能。

为了达到对供能电路和负载的实时保护功能，电压采样电路和电流采样电路的电压值和电流值通过对应的阈值检测比较器电路，与所设定的极限电压值和极限电流值实时高速比较，比较结果通过PCB连接到FPGA/CPLD逻辑芯片内部软件定义的快速判断引脚，在软件定义的时间窗口内进行滤波处理，通过控制MOS场效应管快速关断输出，以达到保护负载的目的。同时，FPGA/CPLD逻辑芯片发出故障信号，驱动光纤接口通过光纤发送器向用户报告故障类型和实时状态。

本发明的供能保护电路由硬件保护、硬件限压/限流和FPGA/CPLD逻辑芯片及其软件快速判断相结合，采用了数字和模拟混合技术多闭环(限压、限流、过压保护、过流保护)连接方式，可以通过软件定义保护类型和阈值，可以实现“自适应”控制策略，多方面的判断和保护有利于滤出“电磁干扰毛刺”引起的误动作，从而使被保护电路能够在强电磁干扰环境下工作，大大提高供能电路系统的可靠性，解决供能系统由于电流和功率分布不均导致的电压跌落、浪涌和开路高压现象。另外，由于供能保护电路作为“桥梁”串联在供能电路与负载之间，无需对现有的供能电路和负载做任何更改，这种设计更加方便理解和维护。一方面，在新的供能系统或电路设计中添加这种供能保护模块，可以提高系统可靠性，另一方面，本供能保护电路作为单独的模块也可用于现有工程的施工改造，提高可靠性，降低故障率。

Claims (8)

1.一种供能保护电路，其特征在于，包括用于连接供能电路的电路输入端口、用于连接负载的电路输出端口、串设在所述电路输入端口和电路输出端口之间的功率开关、以及功率开关控制电路，所述功率开关控制电路控制连接所述功率开关；还包括电压采样电路、电压积分运算放大电路以及控制器；所述电压采样电路采样连接所述电路输出端口用于获取电路输出端口电压，所述电压积分运算放大电路的第一输入端连接电压采样电路的信号输出端，所述电压积分运算放大电路的第二输入端连接所述控制器的第一电压阈值输出端，所述电压积分运算放大电路的输出端连接所述功率开关控制电路的第一输入端和所述控制器的第一输入端；

供能保护电路还包括电压阈值检测比较器电路，所述电压阈值检测比较器电路的第一输入端连接所述电压采样电路的信号输出端，电压阈值检测比较器电路的第二输入端连接控制器的第三电压阈值输出端，电压阈值检测比较器电路的输出端连接所述控制器的第三输入端，所述控制器的信号输出端连接所述功率开关控制电路；电压阈值检测比较器电路用于检测供能模块的输出电压是否高于设定的电压范围，当电压高于设定的电压范围时，控制器启动控制程序，控制功率开关控制电路实现对功率开关的调节，达到调节供能电路输出电压的目的；

还包括电流采样电路和电流积分运算放大电路，所述电流采样电路采样连接所述电路输出端口用于获取电路输出端口电流，所述电流积分运算放大电路的第一输入端连接电流采样电路的信号输出端，所述电流积分运算放大电路的第二输入端连接所述控制器的第二电压阈值输出端，所述电流积分运算放大电路的输出端连接所述功率开关控制电路的第二输入端和所述控制器的第二输入端；

控制器根据控制器第一输入端接入的电压特征和控制器第二输入端接入的电流特征，判断出短路故障或开路故障，从而控制关闭功率开关；当电压值为0且电流处于限流电流值，此时为短路故障；当电流值为0，而电压值为限压电压值，此时为开路故障。

2.根据权利要求1所述的供能保护电路，其特征在于，还包括电流阈值检测比较器电路，所述电流阈值检测比较器电路的第一输入端连接所述电流采样电路的信号输出端，电流阈值检测比较器电路的第二输入端连接控制器的第四电压阈值输出端，电流阈值检测比较器电路的输出端连接所述控制器的第四输入端。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的供能保护电路，其特征在于，所述电路输入端口之间并联有电容。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的供能保护电路，其特征在于，所述电压采样电路为电阻分压采样电路。

5.根据权利要求1-2中任一项所述的供能保护电路，其特征在于，所述电压积分运算放大电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的反相输入端连接所述电压采样电路的信号输出端、其同相输入端连接所述控制器的第一电压阈值输出端、其输出端连接所述功率开关控制电路的第一输入端和所述控制器的第一输入端，所述第一运算放大器的反相输入端和输出端之间连接有电容。

6.根据权利要求1-2中任一项所述的供能保护电路，其特征在于，所述电流积分运算放大电路包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的反相输入端连接所述电流采样电路的信号输出端、其同相输入端连接所述控制器的第二电压阈值输出端、其输出端连接所述功率开关控制电路的第二输入端和所述控制器的第二输入端，所述第二运算放大器的反相输入端和输出端之间连接有电容。

7.根据权利要求1或2所述的供能保护电路，其特征在于，所述电压阈值检测比较器电路包括第一比较器，所述第一比较器的反相输入端连接所述控制器的第三电压阈值输出端、其同相输入端连接所述电压采样电路的信号输出端、其输出端连接所述控制器的第三输入端。

8.根据权利要求2所述的供能保护电路，其特征在于，所述电流阈值检测比较器电路包括第二比较器，所述第二比较器的反相输入端连接所述控制器的第四电压阈值输出端、其同相输入端连接所述电流采样电路的信号输出端、其输出端连接所述控制器的第四输入端。

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